Effet des additifs de graphène et de cire sur la qualité du perçage de matériaux composites de type GFRP

Jammel, Siwar (2025). Effet des additifs de graphène et de cire sur la qualité du perçage de matériaux composites de type GFRP. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les polymères renforcés de fibres (Fiber Reinforced Plastics, FRP) sont de plus en plus utilisés dans l'industrie en raison de leurs propriétés mécaniques spécifiques qui permettent de concevoir des structures légères par rapport aux matériaux traditionnels comme les métaux. Bien que de nombreux procédés de fabrication soient disponibles pour ces matériaux, des opérations d’usinage restent nécessaires pour obtenir les pièces finales.

Cependant, l’usinage des composites présente des défis particuliers. Ce mémoire explore la possibilité d’améliorer le processus de perçage en ajoutant des additifs dans la matrice époxy des composites. Dans cette étude, des composites renforcés de fibre de verre (GFRP) ont été fabriqués en intégrant deux types d’additifs : la cire et le graphène. Neuf plaques différentes ont été usinées avec un outil revêtu de diamant CVD cristallin véritable.

Le choix du graphène et de la cire repose sur leurs propriétés intrinsèques et leur pertinence pour les besoins industriels. Le graphène, avec ses propriétés thermiques et lubrifiantes remarquables, offre une réduction potentielle des efforts et des températures de coupe, tandis que la cire, économique et facile à incorporer, agit comme un lubrifiant efficace pour limiter l'usure des outils. Le perçage, en tant qu’opération d’usinage largement utilisée dans des secteurs tels que l’aéronautique et l’automobile, représente un défi clé où les gains en qualité et en durabilité des outils peuvent avoir un impact significatif. Cette approche novatrice vise à combler les lacunes de la littérature sur l’usinabilité des composites modifiés.

Pour évaluer l’usinabilité, les efforts de coupe ont été mesurés à l’aide d’une table dynamométrique, et les températures de coupe ont été enregistrées à l’aide d’une caméra thermique. La qualité de surface des trous a été analysée à partir des mesures de rugosité.

Les résultats montrent que certaines combinaisons d’additifs, notamment 2 % de cire sans ajout de graphène, ont permis une amélioration modérée de l’usinabilité. L’ajout de 0,25 % de graphène et de 1 % de cire a également permis de réduire légèrement les températures, les efforts de coupe et la rugosité. Bien que les améliorations observées soient limitées, elles suggèrent que l’ajout d’additifs dans les FRP peut être une stratégie prometteuse pour optimiser l’usinabilité et réduire les coûts de fabrication, notamment en minimisant les dommages et en augmentant la durée de vie des outils.

Résumé traduit

Fiber Reinforced Plastics (FRP) are currently experiencing significant growth in popularity among industrial manufacturers. The appeal of these materials lies in their excellent specific mechanical properties, which enable the production of much lighter structures compared to traditional materials such as metals. Despite the wide range of manufacturing processes available for these materials, machining steps are still necessary to obtain the final parts. However, unprecedented challenges are encountered when machining composite materials. The aim of this thesis is to assess the possibility of improving the drilling process by adding additives to the epoxy matrix of composites. In this study, Glass Fiber Reinforced Plastics (GFRP) were fabricated by incorporating two fillers into the matrix: wax and graphene. A total of nine different plates were machined using a tool with a true crystalline CVD diamond coating. To characterize machinability, cutting forces were measured using a dynamometric table, and cutting temperatures were measured using thermal camera. Roughness measurements were also taken on the surfaces of the drilled holes to study mechanical properties (the surface quality of the holes). Improvements in machinability without deteriorating mechanical properties were observed, particularly with a concentration of 2% wax and 0% graphene, where the effects were most significant. Cutting temperatures, forces, and roughness were significantly reduced by the addition of 0.25% graphene and 1% wax, without compromising the fiber/matrix interaction. This study demonstrated that adding additives to FRP is a viable option for improving machinability. This conclusion is of interest to industrial manufacturers, as the addition of additives can reduce manufacturing costs by minimizing damage and maximizing tool life.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 179-183).
Mots-clés libres:	GFRP, perçage, propriétés mécaniques, cire, graphène, CVD
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Chatelain, Jean-François
Codirecteur:	Codirecteur Slamani, Mohamed
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	23 mai 2025 18:47
Dernière modification:	23 mai 2025 18:47
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3608

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